热带东印度洋海表温度持续性的秋季障碍

郭品文,杨丽萍,2,唐碧,3

(1.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;2.杭州市气象局,浙江杭州 315000;3.中国气象局上海台风研究所,上海 200030)

0 引言

热带海洋是全球主要能量和水汽源地,海表温度的变化是热带海气相互作用的重要指标,国内外学者对热带海表温度的研究已取得一系列的成果。关于热带印度洋海温的研究,Webster等[1]、Saji等[2]指出赤道印度洋存在偶极子现象,并阐述了这个偶极子对印度洋周边地区气候异常的影响。谭言科和杜振彩[3]研究表明,热带印度洋海温异常主要存在全海盆符号一致的单极和东、西部符号相反的偶极。晏红明等[4]研究得到,印度洋海表温度的空间分布主要表现为三种定常类型:全区一致型、东西差异型、南北差异型。周顺武等[5]研究得到印度洋海温的第二特征场在春季表现为南北海温反相变化,在夏季表现为东西符号相反。此外,周天军等[6-7]认为热带印度洋SST的变化是对东太平洋SST强迫的一种遥响应。晏红明等[8]研究指出印度洋地区的海温变化是ENSO循环的重要组成部分。殷永红等[9]认为太平洋ENSO通过大气部分的响应来影响印度洋SSTA。马丽萍等[10]研究得到热带印度洋地区除了ENSO过程,还应存在另一重要海气相互作用过程。王桂臣和管兆勇[11]研究表明,印度洋海气耦合的主要部分为印度洋海温对ENSO信号滞后响应的第一模态,以及ENSO和 IOD混合的第二模态。张福颖等[12]研究得到印度洋偶极子在一定程度上影响El Nino的发生,而ElNino的发生、发展会影响印度洋单极子的发生。吴国雄和孟文[13-14]研究表明,热带西印度洋SSTA与热带东太平洋SSTA正相关,这种正相关是由沿赤道印度洋上空的纬向季风环流和太平洋上空的Walker环流之间显著的齿轮式(GIP)耦合造成的。

同时,Webster和Yang[15]研究发现中东太平洋海温的持续性在春季明显减弱,ENSO系统的持续性及其预测存在“春季障碍”,并提出季风与ENSO选择性相互作用原理:春季,太平洋海气系统很弱而印度洋上季风系统发展增强,热带印度洋—太平洋地区海气系统由以太平洋系统为主导转向以印度洋季风环流为主导,急剧增强的印度洋季风系统的作用,导致中东太平洋海温的持续性明显下降。此外,已有研究表明,印度洋季风系统在季节性演变中,冬季较弱,春季是其急剧发展期,秋季季风系统减弱衰退[16];而太平洋海气系统,春季强度最弱,秋季是其急剧发展期,冬季强度最强[17]。那么,在秋季,当太平洋海气系统急剧增强而印度洋上季风系统减弱[16-17]时,印度洋海温持续性是否会出现类似中东太平洋海温持续性下降的现象?这是本文研究的主要问题。

1 资料说明

采用英国气象局Hadley气候预测研究中心1938—2002年的月平均全球海表温度资料(GISST)[18],格距为1°×1°、1948—2002年NCEP/NCAR再分析月平均风场和海平面气压场资料[19],格距为2.5°×2.5°。

2 东印度洋SSTA持续性的季节差异

以1月代表冬季(12月—次年2月),4月代表春季(3—5月),7月代表夏季(6—8月),10月代表秋季(9—11月)。为了研究东印度洋(90～110°E,5°S～5°N)海温的持续性,计算了东印度洋各月海温与随后月份海温的自相关(图1)。图1中每条曲线上方的数字表示开始进行自相关计算的月份,由图1可见,在秋季以前,东印度洋海温的自相关系数几乎都大于0.5,海温具有很好的持续性,但在秋季以后,自相关系数都显著减小,东印度洋海温的持续性明显下降。无论从哪个月份开始计算海温的自相关,自相关系数都会在秋季发生大幅减小,意味着东印度洋海温的持续性在秋季显著减弱,即东印度洋海温持续性存在“秋季障碍”,那么是什么因素导致东印度洋海温的持续性在秋季明显减弱?

图1 东印度洋月平均海温距平的自相关系数(框形区为曲线显著下降区;虚线值为0.21,大于0.21的部分表示通过90%的置信水平检验)Fig.1 Autocorrelations coefficients of the monthly mean SST of the eastern Indian Ocean(The rectangular box denotes the time period when the autocorrelation abruptly drops(fall barrier);the area above the horizontal dash straight line(=0.21)denotes that the autocorrelation is significant at a more than 90%confidence level)

季风与ENSO选择性相互作用原理[15]指出,春季,太平洋海气系统很弱而印度洋季风系统发展增强,热带印度洋—太平洋地区由以太平洋海气系统为主导转向以印度洋季风系统为主导,急剧增强的印度洋季风系统的作用,导致中东太平洋海温的持续性明显下降。那么秋季两大洋海气系统具有什么特征?为此考察了热带太平洋和热带印度洋海气系统的季节变化。

3 太平洋Walker环流和印度洋季风纬向环流的季节变化特征

由图2可见,中东太平洋上纬向风在冬季最强,春季最弱,夏季开始增强,秋季继续增强,到冬季发展到最强;印度洋上纬向风在冬季最弱,春季发展增强,夏季发展到最强,秋季开始减弱,到冬季减至最弱。这与已有的研究结果[12-14]一致。

图2 热带太平洋—印度洋上空850 hPa纬向风(5°S～5°N平均)的季节变化(单位:m/s;印度洋上风速大于4 m/s和太平洋上风速大于10.4 m/s为阴影区)Fig.2 Seasonal variation of the 850 hPa zonalwind velocity(m/s)averaged over 5°S—5°N over the tropical Pacific and Indian Ocean(Areas with values greater than 4 m/s in the Indian Ocean and greater than 10.4 m/s in the Pacific Ocean are shaded)

冬季太平洋Walker环流最强,而印度洋季风纬向环流最弱,所以热带印度洋和热带太平洋地区是以太平洋Walker环流为主导。夏季的情况与冬季相反,印度洋季风纬向环流发展到最强,而太平洋Walker环流仍较弱,所以热带印度洋和热带太平洋地区是以印度洋季风环流为主导。从冬到夏,太平洋Walker环流由强变弱,同时印度洋季风纬向环流发展增强,热带印度洋和热带太平洋地区海气系统由以太平洋Walker环流为主导转向以印度洋季风环流为主导;从夏到冬,太平洋Walker环流急剧增强,而印度洋季风纬向环流减弱,热带印度洋和热带太平洋地区海气系统由以印度洋季风环流为主导转向以太平洋Walker环流为主导。

由此可见,热带印度洋和热带太平洋地区海气系统具有显著的季节变化,冬季以太平洋海气系统为主导,夏季以印度洋季风系统为主导,秋季,印度洋季风系统减弱而太平洋海气系统急剧增强。同时,东印度洋海温持续性的显著下降表明“秋季障碍”后冬季东印度洋海温与其前期海温的相关微弱,那么秋季后东印度洋海表温度的异常是否与急剧增强的太平洋海气系统有关?为此考察了冬季东印度洋海表温度异常与太平洋海气系统的关系。

4 太平洋海气系统与东印度洋冬季海温异常的关系

由图3可见,东印度洋冬季海温与其前期自身海气系统关系很弱,与其后期海气系统关系较好。在太平洋海温异常超前10个月左右时,中东太平洋海温与东印度洋冬季海温相关开始增强,并持续了15个月左右。其中,当太平洋超前一个季节时(秋季),太平洋海温异常与东印度洋海温异常的相关达到最强,相关系数达到0.7,意味着,当东印度洋海温持续性在秋季急剧下降时,中东太平洋海气系统的异常在很大程度上决定了其随后冬季东印度洋海温异常。

为了进一步说明太平洋海气系统与东印度洋冬季海温的关系,计算了冬季东印度洋海温与热带太平洋海平面气压与低层纬向风异常的超前滞后相关系数。

由图4可见,东印度洋冬季海温与西太平洋海平面气压呈现正相关,与中东太平洋海平面气压呈现负相关。当太平洋超前印度洋10个月左右(春季)时,东印度洋冬季海温与西太平洋海平面气压场正相关开始增强,并持续了18个月左右。当太平洋超前8个月左右(春末)开始,东印度洋冬季海温与中东太平洋海平面气压负相关开始增强,并持续了7个月左右。当太平洋超前1个季节(秋季),东印度洋冬季海温与西太平洋海平面气压正相关达到最大。在太平洋超前5个月左右到超前2个月的时段(夏末到秋季),东印度洋冬季海温与中东太平洋海平面气压负相关达到最大。在秋季,东印度洋冬季海温分别与西太平洋、中东海平面气压呈现很好的正、负相关。意味着,当东印度洋海温持续性在秋季急剧下降时,中东太平洋海气系统的异常在很大程度上决定了其随后冬季东印度洋海温异常。

图3 东印度洋秋季障碍之后冬季(1月)区域平均SSTA和太平洋海区SSTA的超前滞后相关系数(纵坐标中负值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋与印度洋同期,正值表示太平洋滞后印度洋,数字表示超前滞后的月份数;阴影区为超过95%置信水平的区域,深阴影区为相关系数最大的区域)Fig.3 Lead-lag correlations between the winter(January)SSTA of the eastern Indian O-cean following the“fall barrier”and the SSTA of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areaswhere the correlation is significant at a more than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the area where the correlation coefficient is the largest positive correlation)

与海平面气压场对应,由图5可见,在太平洋超前印度洋10个月左右时,中东太平洋200 hPa纬向风与东印度洋冬季SSTA正相关开始增强,当太平洋超前5个月时(夏末),两者的正相关达到最大,并持续到秋末,意味着,当东印度洋海温持续性在秋季急剧下降时,中东太平洋海气系统的异常在很大程度上决定了其随后冬季东印度洋海温异常。

综上所述,东印度洋冬季海温与其前期海气系统关系微弱,与其后期海气系统关系紧密,而中东太平洋海气系统的异常在很大程度上决定了冬季东印度洋海温的异常。

5 结论

(1)通过对东印度洋海温的自相关分析发现,东印度洋SSTA的持续性在秋季明显减弱,海温的持续性存在“秋季障碍”现象。

(2)热带印度洋和热带太平洋地区海气系统具有显著的季节变化,冬季以太平洋海气系统为主导,夏季以印度洋季风系统为主导,秋季,印度洋季风纬向环流减弱而太平洋Walker环流急剧增强,热带印—太海区海气系统由以印度洋季风系统为主导转向以太平洋海气系统为主导。

(3)通过分析太平洋海温、海平面气压场以及低层纬向风与东印度洋冬季海温的相关,发现东印度洋冬季海温与其前期自身海气系统关系微弱,而中东太平洋海气系统的异常很大程度上决定了冬季东印度洋海温的异常,认为秋季急剧增强的太平洋海气系统对东印度洋海温持续性“秋季障碍”起着重要的作用。

图4 东印度洋秋季障碍之后冬季(1月)区域平均SSTA和太平洋海区海平面气压的超前滞后相关系数(纵坐标中负值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋与印度洋同期,正值表示太平洋滞后印度洋,数字表示超前滞后的月份数;阴影区为超过95%置信水平的区域,深阴影区为相关系数最大的区域)Fig.4 Lead-lag correlations be tween the winter(January)SSTA of the eastern Indian Ocean following the“fall barrier”and the sea surface pressure of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areas where the correlation is significant at amore than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the areawhere the correlation coefficient is the largest positive correlation)

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图5 东印度洋秋季障碍之后冬季(1月)区域平均SSTA和太平洋海区850 hPa纬向风的超前滞后相关系数(纵坐标中负值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋与印度洋同期,正值表示太平洋滞后印度洋,数字表示超前滞后的月份数;阴影区为超过95%置信水平的区域,深阴影区为相关系数最大的区域)Fig.5 Lead-lag correlations be tween the winter(January)SSTA of the eastern Indian Ocean following the“fall barrier”and the 850 hPa zonalwind velocity of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areas where the correlation is significant at a more than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the area where the correlation coefficient is the largest positive correlation)

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